紫外可见吸收光谱法.ppt

,紫外-可见吸收光谱,钟文杰,基本原理,1.1 概述 基于物质光化学性质而建立起来的分析方法称之为光化学分析法。 分为:光谱分析法和非光谱分析法。 光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。,在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有: 红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000 m ,主要用于有机化合物结构鉴定。 紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400 nm（近紫外区） ，可用于结构鉴定和定量分析。 可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750 nm ，主要用于有色物质的定量分析。,1.2 紫外可见吸收光谱,1.2.1 光的基本性质 光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长、频率、光速c、波数（cm-1）等参数来描述： = c ； 波数 = 1/ = /c 光是由光子流组成，光子的能量： E = h = h c / （Planck常数：h=6.626 × 10 -34 J × S ),光的波长越短（频率越高），其能量越大。 白光（太阳光）：由各种单色光组成的复合光 单色光：单波长的光（由具有相同能量的光子组成） 紫外光区：近紫外区10 - 200 nm （真空紫外区） 远紫外区200 - 400 nm 可见光区：400-750 nm,1.2.2 物质对光的选择性吸收及吸收曲线,E = E2 - E1 = h ：量子化 ；选择性吸收 吸收曲线与最大吸收波长 max 用不同波长的单色光照射，测吸光度,光的互补：蓝 黄,吸收曲线的讨论：,同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max 不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。,吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。 不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在max处吸光度A 的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。 在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。,1.2.3 紫外可见分子吸收光谱与电子跃迁,电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。,1.3 生色团与助色团,1.3.1 生色团： 最有用的紫外可见光谱是由和n跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔基等。,1.3.2 助色团： 有一些含有n电子的基团(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。,1.4 红移与蓝移,有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化: max向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移 (或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。,1.5 有机化合物紫外可见光谱的产生,1.5.1 饱和烃及其取代衍生物 饱和烃类分子中只含有键，因此只能产生*跃迁，即电子从成键轨道（ ）跃迁到反键轨道（ *）。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可见分光光度计的测量范围。,饱和烃的取代衍生物如卤代烃，其卤素原子上存在n电子，可产生n* 的跃迁。 n* 的能量低于*。 例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n* 跃迁分别出现在173、204和258nm处。这些数据不仅说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移，显示了助色团的助色作用。 直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱的良好溶剂。,1.5.2 不饱和烃及共轭烯烃 在不饱和烃类分子中，除含有键外，还含有键，它们可以产生*和*两种跃迁。 *跃迁的能量小于 *跃迁。例如，在乙烯分子中， *跃迁最大吸收波长为180nm 在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长， *跃迁的吸收带 将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。在共轭体系中， *跃迁产生的吸收带又称为K带。,1.5.3 羰基化合物 羰基化合物含有C=O基团。 C=O基团主要可产生*、 n* 、n*三个吸收带， n*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n*吸收带的光区稍有不同。,羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n*吸收带，但是， 羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生n共轭，导致*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此实现n* 跃迁所需的能量变大，使n*吸收带蓝移至210nm左右。,1.5.4 苯及其衍生物 苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。E1带出现在180nm（MAX = 60，000）； E2带出现在204nm（ MAX = 8，000 ）；B带出现在255nm （MAX = 200）。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失。当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带。,1.5.5 稠环芳烃及杂环化合物 稠环芳烃，如奈、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。,当芳环上的-CH基团被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与奈相似。此外，由于引入含有n电子的N原子的，这类杂环化合物还可能产生n*吸收带。,1.6 无机化合物的紫外-可见吸收光谱 产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位场跃迁。,1.7 溶剂对紫外、可见吸收光谱的影响 溶剂对紫外可见光谱的影响较为复杂。改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。例如，当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。 改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。下表为溶剂对亚异丙酮紫外吸收光谱的影响。 正己烷 CHCl3 CH3OH H2O * max/nm 230 238 237 243 n *max/nm 329 315 309 305,由上表可以看出，当溶剂的极性增大时，由n * 跃迁产生的吸收带发生蓝移，而由* 跃迁产生的吸收带发生红移。,由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。与已知化合物紫外光谱作对照时也应注明所用的溶剂是否相同。在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。 选择溶剂时注意下列几点：,（1）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。 （2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。 （3）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。,1.8 光的吸收定律,1.8.1 朗伯比耳定律 布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。Ab,1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A c,二者的结合称为朗伯比耳定律，其数学表达式为：,朗伯比耳定律数学表达式,Alg（I0/It)= b c 式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度； b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位； c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L； ：摩尔吸光系数，单位L·mol·cm； 或: Alg（I0/It)= a b c c：溶液的浓度，单位g·L a：吸光系数，单位L·g·cm a与的关系为： a =/M （M为摩尔质量）,透光度(透光率)T,透过度T : 描述入射光透过溶液的程度: T = I t/ I0 吸光度A与透光度T的关系: A lg T,朗伯比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量； 摩尔吸光系数在数值上等于浓度为1 mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度； 吸光系数a(L·g-1·cm-1）相当于浓度为1 g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,1.8.2 摩尔吸光系数,吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数;不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关；可作为定性鉴定的参数；同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以max表示。max表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。,max越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。 105 ： 超高灵敏； =(610）×104 ： 高灵敏； 2×104 ： 不灵敏。 在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,1.8.3 偏离朗伯比耳定律的原因,标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯比耳定律的偏离。 引起这种偏离的因素（两大类）：一类是物理性因素，即仪器的非理想引起的；另一类是化学性因素。,（1）物理性因素 朗比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。 难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯比耳定律的正或负偏离。 非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。,非单色光作为入射光引起的偏离,假设由波长为1和2的两单色光 组成的入射光通过浓度为c的溶液，则： 1lg（o1 /t1 ）1bc 2lg(o2 /t2 ）2bc 故： t1 o1101bc ； t2 o2102bc 式中o1、o2分别为1、2 的入射光强度； t1、t2分别为1、2 的透射光强度； 1、2分别为1、2的摩尔吸光系数；,因实际上只能测总吸光度A总，并不能分别测得A1和A2，故 A总 lg（o总/t总 ) lg(Io1o2)/(t1t2） lg(Io1o2)/(o1101bc o2102bc ） 令： 1-2 ；设：o1 o2 A总 lg(2Io1)/t1(1102bc ） =A + lg2 - lg(1102bc ),讨论:,A总 =A1 + lg2 - lg(110bc ) = 0； 即：1=2 = 则： A总 lg（o/t）bc 0 若 0, lg（10bc ）值随c值增大而增大，则标准曲线偏离直线向c轴弯曲，即负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。 很小时，即12：,则可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使很小， A总 1 ，且随着c值增大， A总 与A 1的差异愈大，在图上则表现为Ac曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯比耳定律只适用于稀溶液。 为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。,（2） 化学性因素,朗比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液(c10 2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。 故：朗伯比耳定律只适用于稀溶液,溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。 例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡： Cr42- 2H = Cr272- H2 溶液中Cr42-、 Cr272-的颜色不同，吸光性质也不相同。故：此时溶液pH 对测定有重要影响。,2 紫外可见分光光度计,仪器,可见分光光度计,紫外-可见分光光度计,2.1 基本组成,光源,单色器,样品室,检测器,显示,2.1.1 光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。,可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500 nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,2.1.2 单色器,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任 波长单色光的光学系统。 入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；,聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝； 出射狭缝。,2.1.3. 样品室,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。 2.1.4. 检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。,2.1.5. 结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理。,2.2 分光光度计的类型,2.2.1 单光束：简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。 2.2.2 双光束：自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。,3.双波长：将不同波长的两束单色光(1、2) 快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。=12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。,3.1 显色反应的选择 3.2 显色反应条件的选择 3.3 共存离子干扰的消除 3.4 测定条件的选择 3.5 提高光度测定灵敏度和选择性的途径,3 显色与测量条件的选择,3.1 显色反应的选择,3.1.1 选择显色反应时，应考虑的因素： 灵敏度高、选择性高、生成物稳定、显色剂在测定波长处无明显吸收，两种有色物最大吸收波长之差：“对比度”，要求 60nm。,3.1.2 氧化还原显色反应 某些元素的氧化态,如Mn（）、Cr（）在紫外或可见光区能强烈吸收，可利用氧化还原反应对待测离子进行显色后测定。 例如：钢中微量锰的测定，Mn2不能直接进行光度测定 2 Mn2 5 S2O82-8 H2O =2 MnO4 + 10SO42- 16H+ 将Mn2 氧化成紫红色的MnO4后，在525 nm处进行测定,3.1.3 配位显色反应 当金属离子与有机显色剂形成配合物时，通常会发生电荷转移跃迁，产生很强的紫外可见吸收光谱。,3.1.4 显色剂,无机显色剂： 硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等几种。 有机显色剂：种类繁多 偶氮类显色剂：本身是有色物质，生成配合物后，颜色发生明显变化；具有性质稳定、显色反应灵敏度高、选择性好、对比度大等优点，应用最广泛。偶氮胂、PAR等。,三苯甲烷类： 铬天青S、二甲酚橙等,3.2 显色反应条件的选择,3.2.1 显色剂用量 吸光度A与显色剂用量CR的关系会出现如图所示的几种情况。选择曲线变化平坦处。,3.2.2 反应体系的酸度 在相同实验条件下，分别测定不同pH值条件下显色溶液的吸光度。选择曲线中吸光度较大且恒定的平坦区所对应的pH范围。 3.2.3 显色时间与温度 实验确定 3.2.4 溶剂 一般尽量采用水相测定,3.3 共存干扰离子的影响及消除,3.3.1 共存干扰离子的影响 (1) 与试剂生成有色配合物及大量干扰离子与试剂生成稳定的配合物; (2) 干扰离子本身有色; (3) 与被测离子形成难离解化合物.,3.3.2 消除干扰的方法 控制酸度 (2) 加入掩蔽剂 (3) 分离干扰离子 (4) 进行同时测定 (5) 利用氧化还原反应改变价态,3.4 测定条件的选择,3.4.1 选择适当的入射波长 一般应该选择max为入射光波长。但如果max处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。,3.4.2.选择合适的参比溶液,为什么需要使用参比溶液？ 测得的的吸光度真正反映待测溶液吸光强度。 参比溶液的选择一般遵循以下原则： 若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其它所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水)作参比溶液；,若显色剂或其它所加试剂在测定波长处略有吸收，而试液本身无吸收，用“试剂空白”(不加试样溶液)作参比溶液； 若待测试液在测定波长处有吸收，而显色剂等无吸收，则可用“试样空白”(不加显色剂)作参比溶液； 若显色剂、试液中其它组分在测量波长处有吸收，则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂，作为参比溶液。,3.4.3 控制适宜的吸光度,不同的透光度读数，产生的误差大小不同： lgT=bc 微分：dlgT0.434dlnT= - 0.434T-1 dT=b dc 两式相除得： dc/c= （ 0.434 / TlgT ）dT 以有限值表示可得： c/c=（0.434/TlgT）T,浓度测量值的相对误差（c /c）不仅与仪器的透光度误差T有关，而且与其透光度读数T 的值也有关。 是否存在最佳读数范围？何值时误差最小？,最佳读数范围与最佳值,设：T=1%，则可绘出溶液浓度相对误差c/c与其透光度T 的关系曲线。 如图所示： 当：T =1%，T在20%65%之间时，浓度相对误差较小，最佳读数范围。,用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在T%=2065(吸光度A=0.700.20)。,可求出浓度相对误差最小时的透光度Tmin为： Tmin36.8%, Amin0.434,3.5 提高光度测定灵敏度和选择性 的途径,(1)合成新的高灵敏度有机显色剂 (2)采用分离富集和测定相结合 (3)采用三元(多元)配合物显色体系 由一个中心金属离子与两种(或两种以上)不同配位体形成的配合物，称为三元(多元)配合物。,多元配合物显色反应具有很高的灵敏度， 一方面是因为多元配合物比其相应的二元配合物分子截面积更大； 另一方面是因为第二或第三配位体的引入，可能产生配位体之间、配位体与中心金属离子间的协同作用，使共轭电子的流动性和电子跃迁几率增大。,4.1 普通分光光度法 4.2 示差分光光度法 4.3 双波长分光光度法,4 分光光度测定方法,4.1 普通分光光度法,1.单组分的测定 通常采用 A-C 标准曲线法定量测定。 2.多组分的同时测定 若各组分的吸收曲线互不重叠，则可在各自最大吸收波长处分别进行测定。这本质上与单组分测定没有区别。,若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。 A1= a1bca b1bcb A2= a2bca b2bcb,4.2 示差分光光度法,普通分光光度法一般只适于测定微量组分，当待测组分含量较高时，将产生较大的误差。需采用示差法。 即提高入射光强度，并采用浓度稍低于待测溶液浓度的标准溶液作参比溶液。,设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为cs(cs cx)。则： Ax= b cx As = b cs x s =b(cx cs ） =bc 测得的吸光度相当于普通法中待测溶液与标准溶液的吸光度之差。,4.2 示差分光光度法,x s =b(cx cs ）=bc 测得的吸光度相当于普通法中待测溶液与标准溶液的吸光度之差。 示差法测得的吸光度与c呈直线关系。由标准曲线上查得相应的c值，则待测溶液浓度cx ： cx = cs + c,示差法标尺扩展原理：,普通法： cs的T=10%；cx的T=5% 示差法： cs 做参比，调T=100% 则： cx的T=50% ；标尺扩展10倍,4.3 双波长分光光度法,不需空白溶液作参比；但需要两个单色器获得两束单色光(1和2)；以参比波长1处的吸光度A1作为参比，来消除干扰。 在分析浑浊或背景吸收较大的复杂试样时显示出很大的优越性。灵敏度、选择性、测量精密度等方面都比单波长法有所提高。,A 2 A 1 （2 1 ) b c 两波长处测得的吸光度差值与待测组分浓度成正比。 1和2分别表示待测组分在1和2处的摩尔吸光系数。,关键问题:,关键问题是测量波长2和参比波长1的选择与组合。 以两组分x和y的双波长法测定为例： 设：x为待测组分，y为干扰组分，二者的吸光度差分别为 x和y， 则该体系的总吸光度差x+y为： x+y = x + y 如何选择波长1 、2有一定的要求。,选择波长组合1 、2的基本要求是：, 选定的波长1和2处干扰组分应具有相同吸光度， 即：Ay = y2 y1 = 0 故： x+y = x=(x2x1)bcx 此时：测得的吸光度差只与待测组分x的浓度呈线性关系，而与干扰组分y无关。若x为干扰组分，则也可用同样的方法测定y组分。,在选定的两个波长1和2处待测组分的吸光度应具有足够大的差值。,可采用作图法选择符合上述两个条件的波长组合。,了解共轭程度、空间效应、氢键等；可对饱和与不饱和化合物、异构体及构象进行判别。 紫外可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律是： 若在200750nm波长范围内无吸收峰，则可能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。,5 有机化合物紫外光谱解析,若在270350nm波长范围内有低强度吸收峰(10100L·mol-1·cm-1),（n跃迁），则可能含有一个简单非共轭且含有n电子的生色团，如羰基。 若在20300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环。 若在210250nm波长范围内有强吸收峰，则可能含有2个共轭双键；若在260300nm波长范围内有强吸收峰，则说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键。, 若该有机物的吸收峰延伸至可见光区，则该有机物可能是长链共轭或稠环化合物。,